物聯(lián)網關鍵技術分析

張科星

摘 要：物聯(lián)網作為21世紀新興的高科技，成為了世界各國及學術界的重點關注對象。其發(fā)展和關鍵技術突破具有很強的戰(zhàn)略意義。美國將物聯(lián)網列入“2025年對美國利益有潛在影響的六種關鍵技術”中；歐盟委員會通過制定《歐盟物聯(lián)網行動計劃》來發(fā)展歐盟國家的物聯(lián)網技術；在日、韓等經濟較為發(fā)達的國家也將物聯(lián)網的發(fā)展和技術突破作為搶占市場并實現(xiàn)企業(yè)發(fā)展的重要契機。在這樣的國際背景下，我國也積極進軍物聯(lián)網行業(yè)，并在多個物聯(lián)網技術應用的領域實現(xiàn)了較快的發(fā)展。基于此，本文圍繞物聯(lián)網關鍵技術來分析我國物聯(lián)網關鍵技術的發(fā)展，并探討物聯(lián)網關鍵技術的突破路徑。

關鍵詞：物聯(lián)網；物聯(lián)網技術；關鍵技術；技術突破

中圖分類號：TN929.5；TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0189-03

Analysis of Key Technology of Internet of Things

ZHANG Kexing

（Taiyuan University，Taiyuan 030012，China）

Abstract：As the emerging high-tech in twenty-first Century，the internet of things has become the focus of attention in the world and academia.Its development and key technology breakthroughs are of great strategic importance.The Internet of things is included in the six key technologies of "2025's potential impact on the interests of the United States".The European Commission has developed the EU's internet of things technology through the formulation of the EU's internet of things action plan，and the development and technological breakthrough of the Internet of things in the more developed countries such as Japan and Korea as an important opportunity to seize the market and realize the development of the enterprise.Under such an international background，China has also actively entered the IOT industry，and has achieved rapid development in many fields of IOT technology application.Based on this，this article analyzes the key technology development of IOT in China around the key technology of IOT，and explores the breakthrough path of IOT technology.

Keywords：internet of things；internet of things technology；key technology；technical breakthroughs

0 引 言

物聯(lián)網作為當今社會發(fā)展的熱點詞匯，已經為大多數(shù)人所熟知，究竟什么是物聯(lián)網？早在上世紀末期比爾·蓋茨在《未來之路》一書中就提到了關于物聯(lián)網的現(xiàn)金概念，但是由于物聯(lián)網技術環(huán)境的限制，那時它還不為人們重視和熟悉。直到進入21世紀，對物聯(lián)網的研究和實踐應用逐漸成為各界人士關注的焦點。物聯(lián)網是依托互聯(lián)網技術實現(xiàn)物品信息交換的網絡，它通過互聯(lián)網技術延伸和擴展，使物品之間產生聯(lián)系，實現(xiàn)信息的交換和通訊。從技術層面講，物聯(lián)網是使用射頻識別設備、紅外傳感器以及定位等設備通過互聯(lián)網協(xié)議約定，將物品與互聯(lián)網建立聯(lián)系，通過信息交換和通訊的手段實現(xiàn)對物品的識別、定位和監(jiān)管的網絡系統(tǒng)。

1 關于物聯(lián)網關鍵技術及其突破研究的概述

1.1 物聯(lián)網關鍵技術研究現(xiàn)狀

隨著網絡科技的發(fā)展，物聯(lián)網及其關鍵技術的研究和發(fā)展已經成為學術界和業(yè)界關注的重點問題，尤其物聯(lián)網技術的突破在一定程度上決定著物聯(lián)網產業(yè)乃至國家經濟是否能夠實現(xiàn)跨越式的發(fā)展。

首先，關于物聯(lián)網關鍵技術的學術研究，很少有學者認為物聯(lián)網技術的突破點在于關鍵技術的突破。如，國外學者Landegem、Broll和Rukzio同國內學者劉海濤、石軍以及侯贊慧有著類似的研究結論，即傳感網技術是當前物聯(lián)網的核心技術，因此，在今后的物聯(lián)網技術發(fā)展中應該優(yōu)先攻關傳感網、傳感器芯片以及傳感器網接入因特網的技術。另外如張建寧、李國杰等學者分別發(fā)表論述來強調物聯(lián)網網絡層和服務層技術突破的重要性。

其次，就當前我國物聯(lián)網關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀來說，我國互聯(lián)網起步和發(fā)展相比國外較晚，其物聯(lián)網關鍵技術的發(fā)展受制于國家高新技術和工業(yè)基礎薄弱的現(xiàn)狀，雖然在個別方面取得了突破和發(fā)展，但是整體的發(fā)展水平仍然有待提高。如，李國杰學者在傳感技術方面的相關論述，他認為我國材料、工藝等基礎薄弱的狀況造成了我國在傳感技術自主創(chuàng)新研制方面的落后，技術研發(fā)和應用集中在較為低端的基本物理量傳感器研究和產品生產，整體材料的性能以及成本方面與發(fā)達國家還存在著質的差距。同時也因為傳感技術的落后，導致了國內中高端傳感器價格太過昂貴的市場現(xiàn)象，從而成為制約我國傳感器規(guī)模應用和發(fā)展的主要瓶頸。

1.2 物聯(lián)網關鍵技術突破研究概述

結合我國物聯(lián)網關鍵技術的發(fā)展制約因素來看，關于物聯(lián)網技術突破的國內外理論研究方面有很多種形式，主要包括以下幾種。

第一，引入移植型路徑。即通過吸引外商投資或者直接進口關鍵技術成品，以引入的方式促進本國在相關物聯(lián)網領域的發(fā)展。從本質上說，引入移植型模式要將引進的關鍵技術慢慢地消化吸收，逐漸實現(xiàn)本國在該領域的技術成長，但是某些關鍵技術受到了國外發(fā)達國家的進出口限制，總體來說發(fā)展和成長的道路較為漫長。

第二，效仿創(chuàng)新型路徑，也可以稱為“二次改進”或者“二次創(chuàng)新”型應用模式，即通過引入技術，對生產工藝的精益求精和生產的適應性提出針對性要求，形成引入科技的改造和創(chuàng)新。二次創(chuàng)新從一定意義上來說有利于減少研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期，并且通過切合實際的技術應用避免了低水平的重復研發(fā)，從而實現(xiàn)技術積累和產品的更新?lián)Q代。

第三，領先創(chuàng)新型。科技創(chuàng)新講究創(chuàng)新周期，依靠本國的技術探索和創(chuàng)新突破，自主研發(fā)具有知識產權的技術能夠實現(xiàn)在創(chuàng)新周期上的技術優(yōu)勢，從而實現(xiàn)在產品市場上占有規(guī)模以及技術出口等方面的絕對優(yōu)勢，因此這一項具有重大的戰(zhàn)略意義和經濟價值。

2 物聯(lián)網功能分層及其關鍵技術分析

我國對于物聯(lián)網功能的分層主要分為感知層功能、傳輸層功能以及應用層功能三大主要層面功能類型，每一個層面的具體關鍵技術如下：

2.1 感知層功能關鍵技術

感知層關鍵技術主要包括RFID技術、GPS技術、傳感器技術和嵌入式系統(tǒng)四個方面。RFID技術俗稱“電子標簽”，即無線視頻識別技術。該技術通過對目標物體進行自動識別的射頻信號來獲取特定的信息。由于RFID技術無需接觸，并且對物體的運動狀態(tài)沒有要求，因此其應用范圍較廣，市場潛力巨大；傳感器技術是指通過感受特定物品的屬性、狀態(tài)來獲取一定的信息數(shù)據(jù)，然后轉換成信號的形式進行信息輸出。由于傳感器在工業(yè)生產、航空航天以及環(huán)境保護等眾多領域進行應用，使其一直處于非常重要的地位，尤其是在基礎科學和科技前沿等方面的重要作用，使得傳感器技術成為世界各國爭相研究的重要技術。

2.2 傳輸層功能關鍵技術

第一，互聯(lián)網技術。以計算機為單位，通過計算機的連接實現(xiàn)相互之間的通信，同時隨著當前計算機的普及和使用計算機的規(guī)模，使這些計算機單位在相互連接的過程中形成了一張?zhí)摂M的網，即互聯(lián)網。進入21世紀，隨著電子計算機的普及和互聯(lián)網技術的發(fā)展，組成互聯(lián)網的單元不僅僅局限在單個計算機單位上，如電話線、網絡高速通道，衛(wèi)星、光纖等加強了區(qū)域網絡之間的聯(lián)系；第二，移動通信網。移動終端的出現(xiàn)以及相關技術的突破性發(fā)展，促進了移動通信網絡的發(fā)展，并且在3G、4G技術相對成熟的今天，移動通信網絡為人們提供了更加優(yōu)質的信息傳輸平臺；第三，無線短距離傳輸技術。無線短距離傳輸技術主要包括ZigBee、藍牙和Wifi技術。其中Wifi是當前應用范圍最廣的無線短距離傳輸技術，其商業(yè)效益巨大，同時也對人們的生活方式產生了很大的影響。

2.3 應用層功能關鍵技術

第一，云計算技術。把龐大的計算機程序拆分成數(shù)以萬千計的小程序，再通過網絡服務器連接組成規(guī)模化的系統(tǒng)，以此實現(xiàn)用戶對信息的使用。通過不斷提高云計算能力，最終把終端簡化成一個輸入輸出工具，用戶可以根據(jù)自己的需求對信息進行獲取和處理。第二，中間件。中間件簡單來說是操作系統(tǒng)的重要組成部分，通過中間件技術的使用可以把用戶和資源平臺連接起來，以實現(xiàn)信息通信的功能。具體來說，中間件的底層程序設計較為重要，也較為復雜。為了避免復雜的操作，運用相應的技術實現(xiàn)簡單操作的環(huán)境就是中間件的作用，這樣既節(jié)約企業(yè)成本，同時也能提高工作人員的工作效率。

3 物聯(lián)網關鍵技術的研發(fā)現(xiàn)狀及瓶頸

物聯(lián)網技術層面的發(fā)展是實現(xiàn)物聯(lián)網跨越式發(fā)展的基礎，同時也是直接影響相關產業(yè)發(fā)展水平的制約因素。因此，物聯(lián)網關鍵技術層面的現(xiàn)狀和瓶頸主要集中在：

3.1 感知層面關鍵技術的發(fā)展狀況及瓶頸

傳感器技術是實現(xiàn)物品感知的關鍵技術，正是傳感器技術以及相關的技術應用才實現(xiàn)了各行各業(yè)運用各具特征的傳感裝置和設備。近些年來，在感知層面，由于納米技術以及光電子技術的突破和發(fā)展，使傳感器以及傳感器敏感度器件得到了進一步的發(fā)展，不僅傳感器靈敏度提高了，技術應用的成本也降低了，同時由于傳感器網絡技術的不斷更新?lián)Q代，傳感器技術產品一直處于應用定制化階段。在我國，由于材料和工藝技術的基礎較為薄弱，限制了自主創(chuàng)新的能力。雖然我國的傳感器技術還有待提高，但是隨著我國在傳感器節(jié)點集成、組網等方面的技術引進和改造的進行，相關研究也取得了一定的研究成果。

3.2 傳輸層面關鍵技術的現(xiàn)狀及發(fā)展瓶頸

在傳輸層面的關鍵技術應用中，主要包括兩個方面的技術因素，一方面是通過傳感層面的技術使智能終端連接網絡設備。主要包括傳感器的通信模塊、路由器、交換機以及光纖傳輸設備和移動終端通訊設備，同時連接移動通訊的無線基站也是構成通訊網絡的重要組成部分；另一方面，網絡服務器運行系統(tǒng)。主要包括大型電子計算機、各類應用軟件和管理系統(tǒng)等構成的業(yè)務平臺和業(yè)務管理平臺。通過網絡服務器運行系統(tǒng)這個傳輸層，運用包含感知技術的器件實現(xiàn)通訊傳輸來構成物聯(lián)網的技術支撐體系。當前，我國在傳輸層面的關鍵技術發(fā)展較快，同國外相關領域的技術應用和研發(fā)基本處于一個層面，由于構建更大規(guī)模的物聯(lián)網信息傳輸需要大量的IP地址作為支撐，因此，制約當前物聯(lián)網概念下的網絡通訊發(fā)展瓶頸主要是在互聯(lián)網IP地址資源的不足。

3.3 應用層面關鍵技術的現(xiàn)狀及發(fā)展瓶頸

不管物聯(lián)網技術如何發(fā)展，最終還是要落實到社會的應用價值層面。在物聯(lián)網中間器件技術研發(fā)以及軟件領域的應用上，我國與國外發(fā)達國家還有很大的差距，尤其是在中間器件技術領域，微軟、IBM，谷歌等都處于壟斷地位，即便很多中間廠商的研發(fā)較多，但是從中間器件技術的基礎軟件應用和市場能力等方面來看，整體技術研究水平的突破難度較大。雖然國內普元、科諾等大型軟件企業(yè)都不同程度的嵌入了SOA技術研究，這些軟件企業(yè)在構架改進和創(chuàng)新方面已經有所突破，但是在相關領域仍然與國外的技術存在一定的差距。

4 物聯(lián)網關鍵技術突破路徑分析

4.1 完善物聯(lián)網產業(yè)技術標準體系

物聯(lián)網產業(yè)技術標準體系是物聯(lián)網關鍵技術實現(xiàn)突破的保障，也是保證物聯(lián)網技術開發(fā)和技術認可的基礎性建設，這對于整個物聯(lián)網產業(yè)的正常運行起著至關重要的作用。

因此，首先要進一步加強關于物聯(lián)網基礎通用標準的組織建設，規(guī)范物聯(lián)網標準的各項指標和程序。深入各企業(yè)內部，使物聯(lián)網行業(yè)標準的國家制定既與企業(yè)接軌，又與國際化標準接軌，保證物聯(lián)網產業(yè)技術準入的合理性、科學性。同時進一步加強物聯(lián)網標準化信息平臺的建設，促進物聯(lián)網技術機構之間的合作和交流；其次是要推動物聯(lián)網產業(yè)基礎技術共性標準和重點應用領域標準的研制。使基礎共性技術能夠更快速地轉化為生產力，為實現(xiàn)商用打好堅實的基礎，并在不斷積累運營、管理以及維護等方面實踐經驗的同時，實現(xiàn)服務、開放、互聯(lián)、資源共享為核心的發(fā)展目的以及加快相應技術標準的研制。

4.2 加快物聯(lián)網關鍵技術的研究進程

隨著我國物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，我國企業(yè)在網絡構架、傳感器以及M2M等方面的研究取得了一定的突破性成果。關鍵技術的快速發(fā)展以及產業(yè)技術標準的逐漸規(guī)范會增強我國在相關領域的國際標準影響力。

為此，第一，繼續(xù)推進網絡構架等方面的研究力度，擴大在該領域內關鍵技術的領先優(yōu)勢，從而提升在物聯(lián)網領域的國際地位，延長關鍵技術的創(chuàng)新周期，以此獲得更大的經濟效益。由于國內對物聯(lián)網網絡構架的研究已經取得初步成果，為我國多個物聯(lián)網領域的技術應用提供了參考依據(jù)，如中國信息通信研究院已經同歐盟委員會共同發(fā)布了《中歐物聯(lián)網架構比較研究報告》、《中歐物聯(lián)網表示白皮書》以及《中歐物聯(lián)網語義白皮書》；第二，加快物聯(lián)網語義技術的研究。推進相應的研究成果納入國際標準化體系，從而實現(xiàn)物聯(lián)網資源技術的共享，擴大該領域物聯(lián)網的開放程度；第三，增強傳輸層面的關鍵技術自主研發(fā)能力。對于我國自主設計和研發(fā)的WIA-PA無線連接技術，應該加快推進在該領域的技術普及，另外對特定應用需求的LTE-V自主創(chuàng)新技術的應用標準，應該更快的實現(xiàn)國際標準化發(fā)展；第四，推進物聯(lián)網應用系統(tǒng)，促進產業(yè)生態(tài)化發(fā)展。對于物聯(lián)網操作系統(tǒng)研發(fā)，大多是基于國外的基礎性操作，但是不能因為國外在該領域關鍵技術的壟斷地位就放棄對該領域的技術研究。如在更為便捷化的物聯(lián)網操作系統(tǒng)，可穿戴設備以及智能硬件的終端機研制和產品生產方面，國家應該給予足夠的重視和政策優(yōu)惠，通過建立開源項目實現(xiàn)開放運用和開放硬件的生態(tài)社區(qū)發(fā)展模式創(chuàng)新。

4.3 厘清技術引進、消化吸收以及自主創(chuàng)新三者之間的關系

探討物聯(lián)網關鍵技術突破的三種模型的關系，主要目的是通過認清當前我國物聯(lián)網在關鍵技術領域與國外的現(xiàn)實差距，并通過物聯(lián)網關鍵技術的三種突破模式的認識，弄清我國物聯(lián)網關鍵技術發(fā)展的內在理論關系，以促進我國在物聯(lián)網關鍵技術層面的發(fā)展。關于技術引進、消化吸收以及自主創(chuàng)新三者的關系，當前學術界有兩種主要觀點：第一，技術引進同自主創(chuàng)新之間是相互替換的關系，即通過技術引進和對應用產品的性能考慮，在對技術進行消化吸收的基礎上，進行技術創(chuàng)新和改造；第二，技術引進與自主創(chuàng)新之間是互補關系，即通過技術引進促進了企業(yè)技術研發(fā)的自主創(chuàng)新能力。綜合來看，技術引進無論從技術突破還是成本核算等方面，對于當前我國物聯(lián)網關鍵技術的發(fā)展是必要的。具體引入技術的類型和當前技術的研發(fā)難度和突破難度都會對自主創(chuàng)新造成不同程度的影響，因此，企業(yè)在自主創(chuàng)新和改革創(chuàng)新的過程中，要認清關鍵技術的實際發(fā)展趨勢，雖然自主創(chuàng)新是目的，但是不要盲目的追求自主創(chuàng)新，應該根據(jù)技術成熟的具體實際情況進行選擇，這樣才能夠為企業(yè)節(jié)約成本，并搶占市場資源，獲得發(fā)展的先機。

5 結 論

物聯(lián)網產業(yè)的興起是時代發(fā)展的必然趨勢，國家致力于開發(fā)云計算、NFC、移動支付等相關技術的研發(fā)。在大數(shù)據(jù)時代的背景下，物聯(lián)網關鍵技術在交通物流、家庭智能、城市管理以及信息通訊等領域已經實現(xiàn)了提供更為便捷的服務，未來是物聯(lián)網的世界。由此，我國應該提供更加優(yōu)惠的物聯(lián)網關鍵技術研發(fā)政策，加大對物聯(lián)網技術的經費投入力度，審時度勢地加大對關鍵技術的引入、吸收以提高自身二次創(chuàng)新以及自主創(chuàng)新的能力，并在科技的飛速發(fā)展中實現(xiàn)社會經濟水平的提升。

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